擋潮閘設(shè)計規(guī)模研究與實踐

盧育芳

(1.上海市水利工程集團有限公司，上海 201612；2.上海友為工程設(shè)計有限公司，上海 200093)

上海地處長江口杭州灣，地勢低平，河網(wǎng)豐富，為保障區(qū)域防洪(潮)除澇安全，上海已經(jīng)全面構(gòu)筑了水利分片治理格局，水閘作為水利片外圍一線防洪(潮)的有機組成部分，也是各水利片澇水外排、水資源調(diào)度的主要設(shè)施，充分利用河口豐富的潮汐條件，沿江沿海的擋潮閘在高潮時段擋潮或引水、低潮時段排水排澇，為區(qū)域防汛排澇、水資源調(diào)度發(fā)揮了重要的作用。同時上海岸線利用緊張，沿江沿海的排澇口門資源緊缺，為充分利用現(xiàn)狀排?？陂T，對沿江沿海擋潮閘的規(guī)劃研究更為關(guān)注。

水閘設(shè)計流量是水閘的主要特征指標(biāo)，是確定工程等別的重要依據(jù)，也是運行調(diào)度的控制性指標(biāo)，水閘的流量隨上下游水位組合隨時發(fā)生變化，根據(jù)水閘的功能需要設(shè)定的各種工況下的最大設(shè)計流量稱為設(shè)計流量。水閘規(guī)模的論證分規(guī)劃、設(shè)計兩階段，規(guī)劃階段側(cè)重于水利片河網(wǎng)布局、調(diào)蓄水面率的研究，并確定外圍除澇泵閘布局和規(guī)模；設(shè)計階段則側(cè)重于研究水閘各運行工況下的設(shè)計流量，在確定水閘設(shè)計孔徑(凈孔寬、閘坎高程)的過程中，應(yīng)以滿足規(guī)劃階段的水閘規(guī)劃排澇流量為基本要求，并結(jié)合水閘工程運行調(diào)度中所采用的不同水位組合，細化分析設(shè)計孔徑、底坎高程等不同組合下的水閘排水流量，對河道輸水能力匹配、孔徑組合、消能工布置、平面流態(tài)分析等工作進行深化研究，由于不同水位組合會得出不同的設(shè)計流量數(shù)據(jù)，最終選取各設(shè)計工況的最大值作為設(shè)計流量來表征(建議在設(shè)計文件中列出相應(yīng)的運行水位組合)。所以因研究階段不同會存在規(guī)劃排澇流量與設(shè)計排澇流量的說法[2]。但無論是哪個階段，水閘設(shè)計規(guī)模一般以水閘口門的幾何尺寸來體現(xiàn)，即閘孔凈寬和閘坎高程。

1 水閘設(shè)計規(guī)模研究

本文對水閘設(shè)計規(guī)模的研究，主要結(jié)合上海奉賢金匯港南閘改造工程，著重對水閘規(guī)模的計算方法、口門排水效果、河道與水閘輸水能力的匹配性等方面進行了探索。

1.1 金匯港南閘概況

金匯港為浦東水利片南北向骨干河道之一，北起黃浦江，南至杭州灣，通江達海，現(xiàn)狀平均口寬80m，長度約22km，是區(qū)域內(nèi)重要的引排水通道，也是區(qū)域重要航道，1980年金匯港南端的團結(jié)塘(海塘)上建成4m×10m凈孔徑的擋潮閘(金匯港南閘)，設(shè)計規(guī)模540m3/s，2003年該水閘安全鑒定為危閘，急需改造，2006年開展了該閘的工程規(guī)劃研究[1]，根據(jù)太湖流域防洪規(guī)劃和區(qū)域水利規(guī)劃，與金匯港綜合整治近遠期目標(biāo)相呼應(yīng)，與規(guī)劃金匯港河道規(guī)模(規(guī)劃口寬120m)的排水能力相配套，用足金匯港南口門排水潛力；同時加大南排杭州灣能力、減少澇水北排黃浦江也有利于流域行洪并緩解黃浦江的防汛壓力。通過對金匯港南閘規(guī)模多方案比較，最終選定閘孔尺寸為閘孔凈寬60m，閘底坎高程-1.5m(上海吳淞高程，下同)，設(shè)計流量增大至650m3/s，該閘已于2012年建成使用，目前運行正常，為區(qū)域除澇和調(diào)水發(fā)揮著重要作用。

1.2 水閘規(guī)模計算方法分析

擋潮閘主要的運行方式為漲潮時關(guān)閘擋潮，落潮時開閘泄水，閘上內(nèi)河呈現(xiàn)河川半日型調(diào)節(jié)水庫的特點，受河網(wǎng)調(diào)蓄能力和閘下潮位的變化影響，水閘泄水流態(tài)為變量變速流，水位、流量及流速均在不斷變化。

擋潮閘孔徑設(shè)計主要采用閘上半日河川水庫蓄泄能力計算法[3]及基于一維非恒定流河網(wǎng)水力學(xué)方法[4]，前者主要對邊界條件進行適當(dāng)簡化，按不同水閘孔徑組合分時段計算一潮或兩潮內(nèi)的平均流量，結(jié)合排澇標(biāo)準，綜合選取最優(yōu)的閘、河配套組合作為設(shè)計成果。后者則通過河網(wǎng)模型把復(fù)雜的邊界條件作為計算條件，進行河閘配套的試算比較，在計算效率和精度上超越了前者，該模型吸收并優(yōu)化河海大學(xué)、荷蘭Delft水力研究所等非恒定流河網(wǎng)水量水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點，結(jié)合上海的實際水情、工情，積累、完善了感潮河網(wǎng)水量模型，在防洪、排澇、水資源調(diào)度等計算中廣泛應(yīng)用，是較成熟的一維非恒定流平原河網(wǎng)模型。

1.3 排水影響范圍分析

浦東片位于黃浦江以東、以南，東臨長江口，南瀕杭州灣，西至奉賢、金山區(qū)界，總面積約2100km2，包括浦東新區(qū)、南匯區(qū)、奉賢區(qū)全部及閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)。浦東片地處長江入?？?，外圍系黃浦江、長江口、杭州灣環(huán)抱。片內(nèi)河道水位受降雨、潮汐和沿江沿海水閘的控制調(diào)度等因素影響，常年水位控制在2.50～2.80m。浦東片沿長江口、杭州灣共設(shè)19座閘(泵)控制工程，沿黃浦江共設(shè)36座閘(泵)控制工程。金匯港在浦東片中位置偏西南，經(jīng)對除澇工況下的整個水利片除澇最高水位分布分析，金匯港的除澇影響范圍主要為奉賢區(qū)域，針對金匯港南閘的除澇效果研究需要，模型選取金匯港與浦南運河交點處的南橋以及奉賢地區(qū)的平均高水位來反映不同河閘配套規(guī)模下的除澇效果。

1.4 河道允許不沖流速分析

水閘運行除保障自身安全外，還必須兼顧閘內(nèi)外河道的輸水安全，不得因流速過大造成河道沖刷。合理選取河道允許不沖流速是河道水閘輸水匹配研究的首要工作，也是數(shù)模計算中的控制條件。

河網(wǎng)流速場表明金匯港作為主干河道，起到匯聚支流來水的重要作用，最大流速出現(xiàn)在閘上4.5km金匯港干流段內(nèi)，越近閘口流量越大，同時閘下低水位工況的流速也需要同步研究。

河道允許不沖流速與河床道土質(zhì)、水深(水力半徑)相關(guān)[5]，金匯港河床土質(zhì)屬輕壤土，水力半徑1m時的河道斷面平均不沖流速為取值范圍為0.6～0.8m/s。根據(jù)金匯港規(guī)劃斷面要素，底寬80m，底高程-2m，邊坡比1∶3，發(fā)生最大流量時刻的內(nèi)河水位在2.7m左右，故水力半徑R為4.03m，不沖流速應(yīng)乘以系數(shù)Rk，其中對疏松的粘土，k可取1/3～1/4，河道允許不沖流速為1.13～1.27m/s。按實際調(diào)度運行情況進行必要的反算，原金匯港南閘基本每天排水，內(nèi)河水位與閘下水位齊平時開閘，閘下水位漲到接近閘內(nèi)水位時關(guān)閘，經(jīng)過對汛期排水內(nèi)外河水位的記錄，閘前內(nèi)河水位控制在2.5～3.0m之間，閘下最低水位一般在0m以下，按內(nèi)河水位與外海潮位組合進行現(xiàn)狀閘口排水流量的計算，實際最大排水流量達到500m3/s，近閘河道平均流速最高達到約1.1m/s。同時對閘內(nèi)外河道沖刷情況進行調(diào)查，沒有發(fā)生全斷面沖刷現(xiàn)象，僅局部發(fā)現(xiàn)有深坑，深約3m，并且與發(fā)生最大流量無相關(guān)性。綜合選取河道允許不沖流速為1.1～1.2m/s。

1.5 水閘規(guī)模分析

初選水閘規(guī)模時會經(jīng)常用到閘河比或閘河配套系數(shù)，根據(jù)對相關(guān)文獻查詢，閘河比并沒有嚴格的定義，SL265- 2016《水閘設(shè)計規(guī)范》條文說明中表達為水閘凈寬與河道平均過流寬度的比值[6]，該條文在既有水閘規(guī)模統(tǒng)計基礎(chǔ)上，推薦的比值為0.6～0.85；也有采用閘孔凈寬與河道底寬相比的[7]，推薦1∶1.5～1∶2(即0.5～0.7)。閘河比為水閘規(guī)模初選提供了一定的比選范圍，上海地區(qū)的區(qū)域除澇規(guī)劃計算在初定各口門規(guī)模時常取閘孔凈寬與河道底寬比為0.5～0.8，潮差大的口門取小值。金匯港南閘水閘規(guī)模論證選擇對不同凈孔寬(40m、50m、60m)、閘底坎高程(-2m、-1.5m、-1m)進行組合，按照規(guī)劃除澇標(biāo)準降雨(20年一遇面雨量200.2mm)和規(guī)劃工況確定的1963年實測潮位過程線作為下邊界，對典型控制節(jié)點水位、閘前河段出現(xiàn)的流速、水閘最大流量、除澇時段排水總量等指標(biāo)進行比較，在擴大閘孔尺寸效果比較中，經(jīng)綜合比較得到50m凈孔寬-2m閘坎高程與60m凈孔寬-1.5m閘坎高程二種組合的效果最佳，設(shè)計流量相當(dāng)。

計算表明，若維持現(xiàn)狀南閘40m凈孔徑閘坎高程-1m現(xiàn)狀規(guī)模，區(qū)域除澇水位仍可控制在規(guī)劃除澇最高水位以下，按60m凈孔徑閘坎高程-1.5m，在金匯港河道斷面按遠期流域南排規(guī)模實施后，與現(xiàn)狀河閘配置相比，區(qū)域平均最高除澇控制水位可降低3cm，排澇工況24小時計算周期內(nèi)排水量可增加37%，水資源調(diào)度工況下增加水量30%。從對應(yīng)設(shè)計流量的內(nèi)河平均水位3.5m計，河道過水面積比現(xiàn)狀增加約93%，水閘過流斷面面積增加66%，設(shè)計流量(峰值流量)增加20%，說明河閘排水能力規(guī)模呈非線性正比例關(guān)系，與河網(wǎng)集輸水能力相關(guān)。

設(shè)計階段經(jīng)深化對進出水流態(tài)、基礎(chǔ)處理、消能設(shè)計等方面綜合比較，并通過物理模型優(yōu)化，最終選取60m凈孔寬方案。

1.6 運行調(diào)度設(shè)計

為保障水閘運行安全，除結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定計算外，水閘水力計算中的重要任務(wù)為消能計算，對可能出現(xiàn)的運行水位組合進行多方案比選，除了規(guī)劃除澇工況的水位組合，設(shè)計中通常還取內(nèi)河最高水位與外河大潮平均低潮位組合[8]，根據(jù)河床允許不沖流速計算河道允許流量確定閘門開度，特殊情況下內(nèi)河最高水位與外河歷史最低潮位組合，也必須復(fù)核下游河道允許流量，以此確定合理的閘門開度。規(guī)劃工況下的水閘設(shè)計流量是河閘配套下確定的規(guī)模，因此，設(shè)計工況組合中基本上均需要對閘門開度進行必要的控制，運行調(diào)度中雖然以水閘運行流量來表示，同時必然有相應(yīng)的閘門開度要求配套，以合理指導(dǎo)運行調(diào)度。

由于杭州灣潮差較大，規(guī)劃工況選取的下游(外河)潮型雖然是63年實測潮型，該潮型特點是低潮高、潮差小，與《水閘設(shè)計規(guī)范》條文說明建議的采用汛期多年平均最高低潮位相接近的潮型基本相符，但設(shè)計不利工況是可能出現(xiàn)最大流量的較大水頭差組合，比規(guī)劃工況要大很多，一般需限制水閘開度才能滿足河道的不沖要求，該工況雖然出現(xiàn)歷時不長，但對下游河道穩(wěn)定、消能效果影響極大，而且工程事故基本出現(xiàn)在此工況下，從金匯港南閘改建后的實際運行情況表明，平時的大引大排，對閘門開度的控制不力，已引起外河防沖槽下游河道出現(xiàn)局部深坑現(xiàn)象，但也與閘下水位較低，閘下水流混亂不易擴散等直接有關(guān)。

2 結(jié)論

(1)水閘設(shè)計流量是表征水閘排水能力的特征值，規(guī)劃與設(shè)計工況的不利水位組合出發(fā)點各不相同，需要在水力計算基礎(chǔ)上，綜合排水量、河閘輸水能力匹配性、消能工設(shè)計等綜合擬定擋潮閘規(guī)模。

(2)設(shè)計規(guī)模是排澇能力的上限，與河道規(guī)模密切相關(guān)，在現(xiàn)狀閘上河道規(guī)模尚未達到規(guī)劃遠期規(guī)模情況下，需要限制流量。

(3)綜合設(shè)計研究過程，對水閘流量的設(shè)定宜寬不宜緊，在工程投資增加不大的情況下規(guī)模宜適當(dāng)?shù)姆糯?，以增加調(diào)度的靈活性；相對于河道工程的建設(shè)，規(guī)劃應(yīng)一次到位，避免不必要的改擴建，不僅近期可提升區(qū)域排澇抗風(fēng)險能力，有利于增強水資源調(diào)度能力，而且可為遠期后續(xù)河網(wǎng)配套改造提供支撐。

(4)在擋潮閘的運行調(diào)度方面應(yīng)加強管理，尤其對平時的排水調(diào)度，應(yīng)盡量避開閘下低潮位高水頭差下的調(diào)水，考慮到目前上海地區(qū)普遍存在的水閘排水閘門開度不控制現(xiàn)象，建議充分利用潮位特性，按2潮分4次排水，避開低潮位的谷低時段排水。